Koolstof is het bouwatoom van het leven: ongeveer de helft van de droge massa van een plant of dier is koolstof. Er komt op aarde vrijwel geen koolstof bij en er gaat ook vrijwel niets verloren naar de ruimte. Het is dus steeds dezelfde koolstof die rondgaat, in de vorm van koolstofdioxide (CO₂) in de lucht, opgelost waterstofcarbonaat (HCO₃⁻) in zee, suikers en eiwitten in organismen, kalk (CaCO₃) in schelpen en gesteente, en steenkool, aardolie en aardgas diep in de grond.
De reservoirs: waar zit de koolstof?
Een plek waar koolstof is opgeslagen heet een reservoir (of voorraad). Hoeveelheden worden uitgedrukt in gigaton koolstof (GtC): 1 GtC = 10¹² kg = een miljard ton.
| Reservoir | Koolstof (GtC) | Vorm |
|---|---|---|
| Atmosfeer | ~900 (vóór 1750: ~590) | vooral CO₂, een beetje methaan |
| Levende vegetatie | ~450–650 | hout, bladeren, wortels |
| Bodem (zonder permafrost) | ~1 500–2 400 | humus, veen, dood organisch materiaal |
| Permafrost | ~1 400–1 700 | bevroren organisch materiaal |
| Oppervlaktewater oceaan | ~900 | opgeloste CO₂, HCO₃⁻, CO₃²⁻, plankton |
| Diepe oceaan | ~37 000 | opgelost anorganisch koolstof |
| Fossiele brandstoffen (winbaar) | ~1 000 | steenkool, aardolie, aardgas |
| Gesteenten en sedimenten | tientallen miljoenen | kalksteen, dolomiet, kerogeen |
Twee dingen vallen op. Verreweg de meeste koolstof zit in gesteente, waar ze miljoenen jaren vastligt. En de atmosfeer is een van de kleinste reservoirs. Een verschuiving van een paar procent uit een groot reservoir maakt de atmosfeer dus al flink voller. Handig om te onthouden: 1 ppm CO₂ in de lucht komt overeen met ongeveer 2,13 GtC.
De stromen: hoe snel gaat het?
Tussen de reservoirs lopen stromen (fluxen), in GtC per jaar. Vóór de industriële revolutie waren in- en uitgaande stromen per reservoir ongeveer in evenwicht.
| Stroom | Richting | GtC/jaar |
|---|---|---|
| Fotosynthese op land | lucht → planten | ~120 |
| Ademhaling en afbraak op land | planten, dieren, bodem → lucht | ~115–120 |
| Opname door oceaan | lucht → zee | ~80 |
| Afgifte door oceaan | zee → lucht | ~78 |
| Fossiele brandstoffen en cement | gesteente → lucht | ~10 |
| Ontbossing en landgebruik | planten, bodem → lucht | ~1 |
| Vulkanisme | aardmantel → lucht | ~0,1 |
De natuurlijke stromen zijn groot maar heffen elkaar bijna op. De menselijke uitstoot van ongeveer 10 GtC per jaar is klein vergeleken met fotosynthese, maar staat er níét tegenover: het is een netto extra stroom. Vulkanen stoten ongeveer honderd keer minder CO₂ uit dan de mens.
Verblijftijd. Deel je een reservoir door de stroom die erdoorheen gaat, dan krijg je de gemiddelde verblijftijd. Een CO₂-molecuul blijft gemiddeld 900 / (120 + 80) ≈ 4–5 jaar in de lucht voordat het door een plant of de oceaan wordt opgenomen. Let op: dat betekent niet dat een extra hoeveelheid CO₂ na 5 jaar weg is. Omdat er evenveel terugkomt, duurt het eeuwen tot millennia voordat een extra uitstoot grotendeels is weggewerkt.
De korte cyclus: leven en oceaan
De korte (snelle) koolstofcyclus speelt zich af in dagen tot eeuwen en draait om levende organismen en het oppervlaktewater van de oceaan.
- Fotosynthese: 6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂. Planten, algen en cyanobacteriën leggen koolstof vast in glucose en bouwen daarmee cellulose, zetmeel en eiwitten.
- Voedselketens: de koolstof gaat met het voedsel mee naar planteneters en vleeseters (zie voedselketen en voedselweb).
- Verbranding (dissimilatie): alle organismen, ook planten, breken suikers af tot CO₂ en water om energie te krijgen.
- Afbraak: reducenten (bacteriën en schimmels) breken dood materiaal af, waarbij CO₂ vrijkomt. In zuurstofloze omstandigheden, zoals in moerassen en de pens van koeien, ontstaat methaan (CH₄).
- Uitwisseling met de oceaan: CO₂ lost op in zeewater en reageert tot koolzuur en waterstofcarbonaat. Koud water neemt meer CO₂ op dan warm water. Plankton dat sterft en zinkt, voert koolstof naar de diepzee: de biologische pomp.
Je kunt de korte cyclus zien ademen. Op het noordelijk halfrond, waar het meeste land en dus de meeste vegetatie ligt, nemen planten in de zomer meer CO₂ op dan er vrijkomt. Het CO₂-gehalte daalt dan tot een minimum in september–oktober en stijgt in de winter weer tot een piek rond mei. Op Hawaï is die seizoensschommeling ongeveer 6 ppm.
De lange cyclus: gesteente en vulkanen
De lange (trage) koolstofcyclus werkt over honderdduizenden tot miljoenen jaren en loopt via gesteente.
- Verwering: regenwater met opgelost CO₂ is licht zuur en lost silicaatgesteente langzaam op. Er ontstaan opgeloste calciumionen en waterstofcarbonaat die via rivieren naar zee gaan.
- Sedimentatie: in zee bouwen kalkalgen, foraminiferen, koralen en schelpdieren daar kalk (CaCO₃) van. Na hun dood zinken de skeletjes en vormen kalksteen. Netto geldt: CaSiO₃ + CO₂ → CaCO₃ + SiO₂. De mergel van de Sint-Pietersberg bij Maastricht en de krijtrotsen van Dover zijn zulke opgehoopte kalkskeletjes uit het Krijt.
- Begraven organisch materiaal: waar dode planten zonder zuurstof worden begraven, ontstaan veen, bruinkool en steenkool. De Limburgse steenkool stamt uit het Carboon, zo’n 300 miljoen jaar geleden. Aardolie en aardgas ontstonden vooral uit begraven plankton.
- Subductie en vulkanisme: bij plaattektoniek duiken oceanische platen met kalkrijk sediment de mantel in. Bij hoge temperatuur komt de CO₂ weer vrij en ontsnapt via vulkanen.
De lange cyclus werkt als een trage thermostaat: bij een warmer klimaat gaat verwering sneller, wordt meer CO₂ vastgelegd en koelt de aarde af. Maar dat duurt honderdduizenden jaren, veel te langzaam om de huidige opwarming te compenseren.
Wat is de invloed van de mens op de koolstofcyclus?
De mens beïnvloedt de koolstofcyclus op vier manieren:
- Verbranding van fossiele brandstoffen. We halen koolstof die miljoenen jaren in de lange cyclus opgesloten zat en brengen die binnen een paar eeuwen naar de korte cyclus. Dit is met ongeveer 10 GtC per jaar (circa 37 miljard ton CO₂) veruit de grootste ingreep.
- Ontbossing en landgebruik. Kappen en verbranden van tropisch bos en ploegen van grasland brengen koolstof uit vegetatie en bodem naar de lucht: ongeveer 1 GtC per jaar.
- Ontwatering van veen. In de Nederlandse veenweidegebieden wordt het grondwater laag gehouden voor de landbouw. Het veen komt in contact met zuurstof en oxideert: de bodem daalt en er komen jaarlijks enkele megatonnen CO₂ vrij.
- Cementproductie. Bij het branden van kalksteen (CaCO₃ → CaO + CO₂) komt CO₂ vrij, nog los van de brandstof die de oven gebruikt.
Waar blijft de uitstoot? Van alle CO₂ die de mens uitstoot, blijft ongeveer de helft in de atmosfeer. Ruwweg een kwart wordt opgenomen door de oceaan en een kwart door extra plantengroei op land. Die opnemende reservoirs heten koolstofputten (sinks).
Rekenvoorbeeld. De mens stoot ongeveer 11 GtC per jaar uit (fossiel plus landgebruik). Als de helft in de lucht blijft, is dat 5,5 GtC. Gedeeld door 2,13 GtC per ppm geeft dat een stijging van 5,5 / 2,13 ≈ 2,6 ppm per jaar, en dat is ook ongeveer wat er gemeten wordt.
Van koolstof naar CO₂. Een koolstofatoom heeft massa 12 u, een CO₂-molecuul 44 u. Elke kilogram koolstof die verbrandt, levert dus 44 / 12 = 3,67 kg CO₂ op. Eén liter benzine (0,74 kg, waarvan ongeveer 86 % koolstof) bevat 0,64 kg C en levert bij verbranding 0,64 × 3,67 ≈ 2,3 kg CO₂. Dat is zwaarder dan de benzine zelf, omdat er zuurstof uit de lucht wordt aangekoppeld (zie rekenen met de mol).
De Keelingcurve
In 1958 begon de Amerikaanse onderzoeker Charles David Keeling met het meten van CO₂ op de vulkaan Mauna Loa op Hawaï, ver van fabrieken en bossen. De metingen lopen nog steeds en vormen de Keelingcurve, de beroemdste grafiek uit de klimaatwetenschap.
| Jaar | CO₂ (ppm) | Bron |
|---|---|---|
| vóór 1750 | ~280 | luchtbelletjes in ijskernen |
| 1958–1959 | ~316 | begin metingen Mauna Loa |
| 1990 | ~354 | Mauna Loa |
| 2015 | ~401 | Mauna Loa |
| 2024 | ~425 | Mauna Loa |
De curve laat twee dingen tegelijk zien: een zaagtand door de seizoenen (de korte cyclus die ademt) en een stijgende lijn die steeds steiler wordt (de menselijke uitstoot). Ten opzichte van 280 ppm is het CO₂-gehalte inmiddels met ruim 50 % gestegen. Uit ijskernen van Antarctica blijkt dat het gehalte in de afgelopen 800 000 jaar steeds tussen ongeveer 180 ppm (ijstijden) en 300 ppm (warme periodes) schommelde (zie ijstijden). Het huidige niveau ligt daar ver boven.
De extra CO₂ versterkt het broeikaseffect en is de belangrijkste oorzaak van de huidige klimaatverandering. De CO₂ die de oceaan opneemt, maakt het zeewater bovendien zuurder: de pH van het oppervlaktewater is gedaald van ongeveer 8,2 naar 8,1. Dat lijkt weinig, maar omdat de pH-schaal logaritmisch is, betekent het ongeveer 25–30 % meer H⁺-ionen. Kalkvormende organismen zoals koralen en schelpdieren krijgen het daardoor moeilijker.
Veelgestelde vragen
Wat is de koolstofcyclus?
De koolstofcyclus is de kringloop van koolstof tussen atmosfeer, levende organismen, bodem, oceanen en gesteenten. Planten nemen CO₂ op met fotosynthese, en door ademhaling, afbraak, vulkanisme en verbranding komt het weer vrij.
Wat is de invloed van de mens op de koolstofcyclus?
De mens verbrandt fossiele brandstoffen (ongeveer 10 GtC per jaar), kapt bossen, ontwatert veen en maakt cement. Daardoor komt koolstof uit de trage, geologische cyclus snel in de lucht. Ongeveer de helft blijft in de atmosfeer, waardoor het CO₂-gehalte steeg van 280 ppm naar ruim 420 ppm.
Wat is het verschil tussen de korte en de lange koolstofcyclus?
De korte cyclus verloopt in dagen tot eeuwen via fotosynthese, ademhaling, afbraak en uitwisseling met het oppervlaktewater van de oceaan. De lange cyclus duurt honderdduizenden tot miljoenen jaren en loopt via verwering, kalksteenvorming, fossiele brandstoffen, subductie en vulkanen.
Wat is de Keelingcurve?
De Keelingcurve is de grafiek van de CO₂-concentratie gemeten op Mauna Loa (Hawaï) sinds 1958. Hij toont een seizoensschommeling van enkele ppm door de plantengroei op het noordelijk halfrond en een gestage stijging van ongeveer 316 ppm in 1958 naar ongeveer 425 ppm in 2024.
Wat is het grootste koolstofreservoir?
Gesteente en sedimenten, vooral kalksteen, met tientallen miljoenen gigaton koolstof. Van de snel uitwisselende reservoirs is de diepe oceaan het grootst met zo’n 37 000 GtC. De atmosfeer bevat maar ongeveer 900 GtC.
Hoeveel CO₂ ontstaat er bij het verbranden van 1 kg koolstof?
3,67 kg, want de molaire massa van CO₂ (44 g/mol) is 44/12 keer die van koolstof (12 g/mol). Eén liter benzine levert daardoor ongeveer 2,3 kg CO₂ op.